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Transformator

Definition: ein elektrisches Gerät, welches Wechselstrom oder Drehstrom auf ein anderes Niveau von Spannung und Stromstärke bringen kann

Englisch: transformer

Kategorie: elektrische Energie

Autor:

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Ursprüngliche Erstellung: 26.04.2010; letzte Änderung: 03.11.2018

Ein Transformator (kurz Trafo) ist ein elektromagnetisches Bauteil, welches Wechselstrom oder Drehstrom (nicht aber Gleichstrom) auf ein anderes Niveau von elektrischer Spannung und Stromstärke bringen kann. Das Grundprinzip ist, dass mit einem Elektromagneten (meist einer Spule auf einem Eisenkern) ein in Richtung und Stärke wechselndes Magnetfeld erzeugt wird, welches in einer zweiten Spule (oder in mehreren Spulen) andere Spannungen und Ströme induzieren kann. Es ist möglich, auf diese Weise eine niedrigere oder höhere Spannung als die Primärspannung zu erhalten; das Spannungsverhältnis wird im Wesentlichen durch das Verhältnis der Windungszahlen der beteiligten Spulen bestimmt. Wenn die Sekundärwicklung weniger Windungen hat als die Primärwicklung, ist die Sekundärspannung niedriger als die Primärspannung, und dafür kann die vom Transformator abgegebene Stromstärke höher sein als die aufgenommene.

In vielen Fällen wird die Primärspule eines Transformators an die Netzspannung (z. B. 230 V) angeschlossen, und die Sekundärspule erzeugt eine deutlich niedrigere Spannung für die Versorgung eines Geräts. Oft folgt ein Gleichrichter und ein Kondensator, um eine geglättete Gleichspannung zu erhalten.

Obwohl die Primär- und Sekundärspule meistens nicht elektrisch miteinander verbunden sind (außer bei den selten eingesetzten Spartransformatoren), gibt es über das Magnetfeld eine Rückwirkung: Die Primärspule bezieht umso mehr Strom, je höher die der Sekundärspule entnommene Stromstärke ist. Ein gewisser kleiner Primärstrom bleibt jedoch, auch wenn die Sekundärspule nicht belastet wird; es handelt sich weitgehend um einen Blindstrom (der im Zeitmittel keine Leistung transportiert) und teilweise um einen Wirkstrom, der Energieverluste bedeutet. Dieser Standby-Verbrauch kann je nach Leistung und Qualität des Geräts erheblich sein.

Hochleistungs-Transformator
Abbildung 1: Ein Hochleistungs-Transformator mit 235 MW für eine HGÜ-Seekabel-Anlage zur Verbindung von Tasmanien mit Australien (Siemens-Pressebild).

Die Primär- und/oder die Sekundärspule können Anzapfungen enthalten. Dies erlaubt es, die genutzte Anzahl der Windungen der Primärspule der jeweiligen Netzspannung anzupassen, oder unterschiedliche Sekundärspannungen zu erzeugen. Auch mehrere separate Sekundärspulen sind möglich.

Große Transformatoren weisen sehr hohe Wirkungsgrade auf – oft über 99 %. Trotzdem führt ein Verlust z. B. von nur 0,5 % bei einer Übertragungsleistung von 200 MW immer noch zu einer Verlustleistung von 1 MW, die als Wärme anfällt. (Dies entspricht ungefähr der für die Beheizung von 200 modernen Einfamilienhäusern an einem kalten Wintertag nötigen Leistung.) Innerhalb eines Großtransformators wird die Wärme oft mit Hilfe eines Öls zu den Außenwänden transportiert, welches gleichzeitig als elektrischer Isolator dient. Früher wurden PCB-haltige Transformatorenöle verwendet, die z. B. bei Transformatorbränden extrem giftige Dioxine und andere Stoffe freisetzten. Wegen der hohen Lebensdauer solcher Anlagen gibt es noch heute viele solche Transformatoren.

Die kurzzeitige Überlastung eines Transformators durch Bezug eines erhöhten Stroms aus der Sekundärspule führt zu einer stärkeren Erwärmung und einem gewissen Abfall der Sekundärspannung, wird aber meist problemlos verkraftet. Eine überhöhte Primärspannung kann dagegen den Eisenkern in die magnetische Sättigung bringen, was zu einem starken Anstieg des Primärstroms führt. Dann kann eine Zerstörung relativ schnell erfolgen.

Besondere Bauformen

Spartransformatoren

Normalerweise sind die Primär- und Sekundärspule(n) eines Transformators voneinander galvanisch getrennt, d. h. es gibt keine elektrische Verbindung zwischen ihnen. Bei einem Spartransformator ist dies jedoch anders; er verfügt in der Regel über nur eine einzige Wicklung mit verschiedenen Anzapfungen. Wenn beispielsweise eine Spule mit einer Anzapfung in der Mitte vorliegt und man die Primärspannung an die gesamte Wicklung anlegt, erhält man zwischen einem Wicklungsende und der genannten Anzapfung in der Mitte die halbe Primärspannung. Man spart sich mit diesem Ansatz also zunächst einmal eine zusätzliche Sekundärwicklung, die halb so viele Windungen wie die Primärwicklung haben müsste. Zusätzlich kann aber auch der Transformatorkern kleiner ausgeführt werden als bei einem konventionellen Transformator mit gleicher Übersetzung. Dies liegt daran, dass ein Teil der Leistung nicht magnetisch übertragen wird, sondern direkt elektrisch. Besonders ausgeprägt ist dieser Spareffekt, wenn die Sekundärspannung ähnlich hoch ist wie die Primärspannung. Deswegen werden Spartransformatoren vor allem dann eingesetzt, wenn das Übersetzungsverhältnis etwa zwischen 2:1 und 1:2 liegt.

Einige Anwendungsbeispiele für Spartransformatoren:

  • Häufig werden sie für Netzadapter (Reiseadapter) für die Verwendung von Geräten in anderen Ländern mit abweichender Netzspannung verwendet. Beispielsweise kann eine Netzspannung von 110 V in den USA damit auf 230 V für in Europa gebaute Geräte transformiert werden.
  • Zündspulen für Ottomotoren sind in der Regel als Spartransformator ausgeführt. Hier ist das Übersetzungsverhältnis zwar sehr hoch und insofern kaum ein Spareffekt gegeben. Andererseits spricht hier auch nichts gegen dieses Konzept.

Wegen der fehlenden galvanischen Trennung sind Spartransformatoren natürlich für viele andere Zwecke nicht einsetzbar. Beispielsweise kommen sie in der Regel nicht infrage für Netzteile von mit Niederspannung arbeitenden Geräten, da je nach Orientierung des Steckers in der Steckdose das Gerät mit einer hohen Spannung gegenüber der Erde arbeiten könnte, was es bei Berührung einer Leitung gefährlich machen würde.

Trenntransformatoren

Trenntransformatoren sind Transformatoren, deren Hauptzweck die galvanische Trennung ist. Häufig ist die Sekundärspannung mit der Primärspannung in etwa identisch, d. h. es erfolgt keine Übersetzung der Spannung. Häufig werden solche Transformatoren auch gar nicht für die Übertragung von Energie verwendet, sondern beispielsweise für analoge Audiosignale, um Brummschleifen zu vermeiden.

Energieeffizienz von Transformatoren

In Wesentlichen treten in Transformatoren zwei Arten von Energieverlusten auf:

  • Einerseits gibt es, sobald ein Transformator im Betrieb ist, einen festen Beitrag zu den Verlusten, der hauptsächlich mit der periodischen Ummagnetisierung des Transformatorkerns und mit Wirbelstromverlusten zu tun hat. Weniger wichtig ist der Beitrag der ohmschen Verluste in der Primärwicklung, da die dort auftretende Stromstärke im Leerlauf gering ist. Man spricht hier von Leerlaufverlusten, da diese bereits im Leerlauf auftreten (aber natürlich nicht nur dann).
  • Hinzu kommt eine lastabhängige Verlustleistung, die im Wesentlichen durch den ohmschen Widerstand der Wicklungen entsteht. Dieser Beitrag zur Verlustleistung steigt mit dem Quadrat der entnommenen Stromstärke, d. h. bei Halbierung der entnommenen Leistung sinkt dieser Beitrag auf ein Viertel.

Der höchste Wirkungsgrad tritt häufig im mittleren Teillastbereich auf, wo die lastabhängigen Verluste noch nicht allzu hoch sind, die Leerlaufverluste aber auch nicht mehr stark zu Buche schlagen. Im unteren Teillastbereich dagegen sind die Leerlaufverluste ein Problem, da sie relativ zur geringen umgesetzten Leistung recht hoch sind.

Der Wirkungsgrad sehr großer Transformatoren, wie sie beispielsweise in Großkraftwerken oder in Umspannwerken eingesetzt werden, kann bei Volllast oder mittlerer Teillast oberhalb von 99 % liegen; es treten also nur relativ geringe Energieverluste auf, die zu entsprechenden Mengen von Abwärme führen. Auch kleinere Transformatoren, beispielsweise mit Leistungen in der Größenordnung von eine Megawatt, können sehr effizient sein. Dagegen sind Kleinsttransformatoren etwa für Haushaltsgeräte häufig recht ineffizient (mit Wirkungsgraden von teils sogar unter 50 %), weil es für die Hersteller geringe Anreize gibt, die Effizienz unter Inkaufnahme höherer Herstellungskosten zu optimieren.

Auch größere Transformatoren können im unteren Teillastbereich wegen der Leerlaufverluste sehr ineffizient werden, und je nach Anwendung können solche Lastfälle mehr oder wenig häufig auftreten. Beispielsweise liegt die durchschnittliche Last von Transformatoren in den Verteilungsnetzen typischerweise nur bei rund 20 % der maximalen Last, da die von den Verbrauchern entnommene Leistung stark schwankt und die Kapazität der Transformatoren in jedem Fall ausreichen muss. Dieses Problem kann in einem Kraftwerk kaum auftreten, da die meisten Kraftwerke nie im unteren Teillastbereich betrieben werden.

Grundsätzlich ist die Energieeffizienz eines Transformators einer von mehreren Faktoren, die bei der Entwicklung optimiert werden sollen. Wie stark die Energieeffizienz hierbei gewichtet wird, hängt von den jeweiligen Prioritäten ab. Beispielsweise wäre die energetische Optimierung von Verteilnetztransformatoren sehr wünschenswert, da diese für viele Jahrzehnte im Betrieb bleiben, also im Laufe ihrer Lebensdauer enorm viel Energie verschwenden können. Jedoch liegen die Anschaffungskosten für bessere Transformatoren deutlich höher, und ihre Anwendung kann auch durch andere Aspekte behindert werden – beispielsweise durch einen etwas höheren Platzbedarf (also bei Umrüstungen u. U. die Notwendigkeit, entsprechend mehr Platz zu schaffen) und die bei manchen Bauarten (z. B. mit amorphem Kern) stärkere Geräuschentwicklung. Gewisse Mindeststandards für die Energieeffizienz von Verteilnetztransformatoren werden auch durch Normen festgelegt, die bisher aber wegen ihrer geringen Anforderungen meist kaum eine Lenkungswirkung entwickeln.

Anwendung von Transformatoren

Transformatoren sind sehr wichtig in der Energietechnik:

  • In einem Kraftwerk hoher Leistung übersetzt ein Maschinentransformator (Blocktransformator) die Spannung des Generators (bis zu 27 kV) auf ein hohes Niveau von hunderten von Kilovolt, während die Stromstärke entsprechend reduziert wird. Dies ermöglicht die verlustarme Übertragung der Leistung mit Höchstspannungsleitungen.
  • Die Höchstspannung vom Übertragungsnetz wird in Umspannwerken auf die Hochspannungsebene von 110 kV übersetzt. Die dabei eingesetzten sehr großen Transformatoren können Leistungen von einigen hundert Megawatt übertragen. Auch Anlagen für die Hochspannungs-Gleichstromübertragung enthalten auf der Wechselstromseite einen oder mehrere Transformatoren (siehe Abbildung 1).
Steckernetzteile
Abbildung 2: Zwei typische Steckernetzteile. Das größere rechts enthält einen Transformator, das kleine leichte (links) ein Schaltnetzteil ohne Transformator.
  • Von der Hochspannungsebene aus werden Mittelspannungsnetze (10 kV oder 20 kV) über Umspannstationen mit Transformatoren für einige zehn Megawatt versorgt.
  • Die Niederspannungsnetze (400 V) werden aus der Mittelspannungsebene über kompakte Netzstationen (oft kleiner als eine Garage), die jeweils einen Verteilungstransformator enthalten, mit einigen hundert Kilowatt gespeist, was z. B. für die Haushalte an einer Straße genügt. Die meisten Verbraucher sind an die Niederspannungsnetze angeschlossen.

Auch in Verteilungsnetzen kommen zunehmend sogenannte regelbare Ortsnetztransformatoren zum Einsatz, deren Übersetzungsverhältnis in gewissen Grenzen automatisch angepasst werden kann, um das Spannungsniveau bei Schwankungen der Last und der Einspeisungen regeln zu können (→ Spannungshaltung). Grundsätzlich wird hier eine Art von Stufenschalter eingesetzt, realisiert entweder in rein mechanischer Form oder auch mit Elektronik.

Im Haushalt erzeugen diverse Niederspannungstransformatoren in Netzteilen noch niedrigere Spannungen von z. B. 12 V oder weniger für den Betrieb diverser Geräte. Beispielsweise gibt es Steckernetzteile mit Leistungen von wenigen Watt für den Betrieb kleiner elektronischer Geräte. Solche Steckernetzteile enthalten häufig einen kleinen Transformator; jedoch werden diese zunehmend durch noch kompaktere, leistungsfähigere und verlustärmere Schaltnetzteile abgelöst.

Siehe auch: Netzteil, elektrische Energie, Wechselstrom, Drehstrom, Stromnetz, Standby-Verbrauch
sowie andere Artikel in der Kategorie elektrische Energie

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